專利名稱：拉伐爾噴管氣液摻混器設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氣液摻混器技術(shù)領(lǐng)域，更具體的說，涉及一種利用拉伐爾噴管原理的拉伐爾噴管氣液摻混器設(shè)計方法。
背景技術(shù)：
在石油、化工等領(lǐng)域，氣體和液體摻混后以兩相流的形式通過管道運輸。此類混輸工藝大致可以分為兩類1氣液分離后利用多相泵加壓輸送，2氣液分離后分別用氣泵和液泵加壓，摻混后輸送?；燧斶^程中多相流進(jìn)口摻混狀態(tài)對上、下游設(shè)備和管線的運行有一定影響，特別是出現(xiàn)大規(guī)模氣態(tài)斷塞流時容易對泵造成損壞，并會引起混輸管道的大幅振動，導(dǎo)致管道破損。因此，摻混器作為混輸過程中的關(guān)鍵部位，應(yīng)盡量避免出現(xiàn)大規(guī)模氣態(tài)斷塞。
目前常見的氣液摻混器進(jìn)氣段靜壓超過進(jìn)液端液體總壓時，摻混器將出現(xiàn)氣態(tài)斷塞。而采用拉伐爾噴管的氣液摻混器，通過將進(jìn)氣端氣動堵塞點設(shè)計在額定氣液摻混比附近，主動限制進(jìn)氣端氣體壓力升高時的氣體流量，從而保證在進(jìn)氣壓力發(fā)生大幅度波動時摻混器的正常工作，從根本上避免大規(guī)模斷塞流的出現(xiàn)。通過調(diào)整氣動堵塞點參數(shù)，這種類型的摻混器還可以根據(jù)需要進(jìn)行氣液兩相流流態(tài)控制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種利用拉伐爾噴管原理的氣液摻混器設(shè)計方法。為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供的拉伐爾噴管氣液摻混器設(shè)計方法，包括如下步驟(1)給定進(jìn)入摻混器的氣體、液體壓力波動范圍；(2)給定摻混器氣液兩相流排出口管道直徑；
(3)給定進(jìn)入摻混器的液體流量；(4)給定或根據(jù)流型圖計算出氣液摻混后兩相流體的氣液體積比，并結(jié)合步驟(1)中的參數(shù)計算出相應(yīng)的氣體質(zhì)量流量；(5)根據(jù)步驟(4)中得到的氣液體積比，計算出摻混器中摻混截面處氣體通流面積與液體通流面積之比；(6)根據(jù)步驟(1)和(3)中的各參數(shù)計算出拉伐爾噴管喉道面積及半徑；(7)根據(jù)步驟(2)、(5)和(6)中的各參數(shù)，采用簡單分段曲線生成摻混器的內(nèi)部型面。
所述的拉伐爾摻混器設(shè)計方法，拉伐爾噴管流量及喉道參數(shù)計算，還包括對對步驟(6)中的摻混器內(nèi)部型面的造型。
所述的氣液摻混器設(shè)計方法，，在步驟(4)中所述的根據(jù)流型圖計算出氣液摻混后兩相流體的氣液體積比方法是在垂直下降管流型圖、垂直上升管流型圖、水平管流型圖(如泰特爾流型圖、貝克流型圖或曼德漢流型圖)等氣液兩相流流型圖上確定摻混后氣液兩相流的流動狀態(tài)點，根據(jù)步驟(1)、(2)和(3)中的各參數(shù)計算出對應(yīng)的氣體流量。
本發(fā)明的優(yōu)點在于1)能夠防止摻混過程發(fā)生氣態(tài)斷塞。
2)可以對下游管道中的氣液兩相流流型進(jìn)行控制。


圖1是利用拉伐爾噴管原理的氣液摻混器設(shè)計流程圖；圖2摻混腔設(shè)計圖；圖3摻混頭采用雙圓錐直管喉道造型法的設(shè)計圖；圖4摻混頭采用雙圓錐圓弧喉道造型法的設(shè)計圖；圖5采用雙圓錐直管喉道造型法設(shè)計的一個摻混器示意圖；圖6流量隨氣液壓差變化的計算結(jié)果圖；圖7摻混器氣進(jìn)氣端、進(jìn)液端壓力變化實驗結(jié)果圖；
圖8為實驗結(jié)果圖；圖9為摻混頭結(jié)構(gòu)圖；圖10為摻混腔結(jié)構(gòu)圖。
附圖中參數(shù)如下(1)雙圓錐直管喉道造型法摻混器出口管徑Dmix；摻混器內(nèi)管(進(jìn)氣管)直徑Dg；摻混器內(nèi)管收縮角α1；摻混器內(nèi)管擴(kuò)張角α2；摻混器內(nèi)管喉道直徑dcr；摻混器內(nèi)管喉道長度lcr；摻混器氣體噴嘴出口直徑d1；摻混腔收縮角β1；摻混腔擴(kuò)張角β2；摻混腔喉道直徑dm；摻混器外管(進(jìn)液環(huán)管外環(huán))直徑Dmix；(2)雙圓錐圓弧喉道造型法摻混器出口管徑Dmix；摻混器內(nèi)管(進(jìn)氣管)直徑Dg；摻混器內(nèi)管收縮角α1；摻混器內(nèi)管擴(kuò)張角α2；摻混器內(nèi)管喉道直徑dcr；摻混器內(nèi)管喉道過渡圓半徑長度rc；摻混器氣體噴嘴出口直徑d1；摻混腔收縮角β1；摻混腔擴(kuò)張角β2；摻混腔喉道直徑dm；摻混器外管(進(jìn)液環(huán)管外環(huán))直徑Dmix；
(3)bezier曲線造型法摻混器出口管徑Dmix；摻混器內(nèi)管(進(jìn)氣管)直徑Dg；摻混器內(nèi)管收縮角α1；摻混器內(nèi)管擴(kuò)張角α2；摻混器內(nèi)管喉道直徑dcr；摻混器氣體噴嘴出口直徑d1；摻混腔收縮角β1；摻混腔擴(kuò)張角β2；摻混腔喉道直徑dm；摻混器外管(進(jìn)液環(huán)管外環(huán))直徑Dmix；具體實施方式
下面結(jié)合附圖與具體實施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
(1)圖1給出了利用拉伐爾噴管原理的氣液摻混器設(shè)計流程圖。如圖1所示，在設(shè)計的第一步必須給定進(jìn)入摻混器的氣體壓力波動范圍Pg-min-Pg-max、液體壓力波動范圍Pl-min-Pl-max。Pg-min、Pg-max、Pl-min、Pl-max這幾個參數(shù)是根據(jù)摻混器的實際工作狀態(tài)由設(shè)計者給出的數(shù)值，可以根據(jù)經(jīng)驗計算或?qū)嶒灚@得。一般情況下，如果摻混器上游安裝了氣泵和液泵，Pg-min、Pg-max可按氣泵說明書中工作特性線對應(yīng)的最小壓力、最大壓力值減去泵出口到摻混器入口的管道壓力損失獲得，Pl-min、Pl-max按液泵說明書中工作特性線對應(yīng)的最小壓力、最大壓力值減去泵出口到摻混器入口的管道壓力損失獲得。如果進(jìn)入摻混器的氣體和液體沒有經(jīng)過氣泵、液泵的加壓，而是直接來自分離罐或氣罐、液罐。則Pg-min、Pg-max、Pl-min、Pl-max分別對應(yīng)分離罐或氣罐、液罐中儲存氣體、液體的最大壓力值和最小壓力值。在設(shè)計過程中，摻混器進(jìn)氣口壓力Pg取Pg-max，進(jìn)液口壓力Pl取Pl-min。
(2)氣液兩相流排出口管道直徑Dmix取下游氣液兩相流混輸管道的直徑。
(3)如果液體由液泵加壓后進(jìn)入摻混器，則進(jìn)入流量Ql取液泵的額定流量。如果進(jìn)入摻混器的液體沒有經(jīng)過液泵，則Ql值由計算或?qū)嶒灥姆绞将@得，或直接根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)給出估計值；(4)摻混器中摻混后的兩相流流體壓力與摻混器進(jìn)液壓力差別很小，因此混合流體的壓力Pmix在設(shè)計中取摻混器進(jìn)液口壓力Pl。
(5)如果對摻混器出口氣液比有具體要求時，按給定的氣液比λ及液體流量Ql計算出Pmix壓力下的氣體體積流量Qg(Qg＝Ql×λ)，然后根據(jù)Pmix下氣體的密度ρ計算出氣體的質(zhì)量流量 (m·g=ρ×Qg);]]>(6)如果對摻混器出口氣液兩相流流態(tài)有具體要求時，根據(jù)流態(tài)要求在流型圖上估計工況點，并計算出相應(yīng)的摻混后兩相流體的氣液體積比λ，參照(5)中的計算方法算出相應(yīng)的氣體質(zhì)量流量 (7)根據(jù)拉伐爾噴管發(fā)生氣動堵塞時，堵塞流量 與拉伐爾噴管喉口面積σ*之間有如下關(guān)系m·max=Kp0T0σ*]]>其中K是與氣體相關(guān)的系數(shù)，系數(shù)K=(γR)12(2γ+1)γ+12(γ-1)]]>，式中γ為氣體熱容比，R為氣體常數(shù)?？諝猞茫?.4，R＝287J/(kg K)，因此空氣發(fā)生壅塞時的系數(shù)K值為0.04042，當(dāng)摻混器上游為分離罐時，p0、T0為上游氣體總溫、總壓。在設(shè)計中，P0取值為Pg-max，T0可之間取進(jìn)入摻混器的氣體平均溫度。依照此關(guān)系式，摻混器氣體氣體摻混頭噴嘴的喉道直徑dcr為dcr=4m·gT0πKP0]]>(8)將氣液體積比λ定為摻混器中摻混截面處氣體通流面積與液體通流面積之比。摻混器中的氣體摻混頭噴嘴出口截面位于摻混面上，其半徑為rg-ex，相應(yīng)的氣體通流面積為Ag-mix＝πrg-ex2。設(shè)在摻混面處摻混腔的半徑為rm，則液體通流面積為Al-mix＝π(rm2-rg-ex2)，且滿足Ag-mix/Ag-mix＝λ；(9)摻混腔的作用是提高摻混后短距離內(nèi)的摻混均勻程度。如圖2所示，摻混腔為簡單文氏管形，由兩個錐面構(gòu)成。A-A截面為摻混面，即摻混腔喉道，其半徑為rm，對應(yīng)的直徑為dm。摻混腔收縮角β1，摻混腔擴(kuò)張角β2，摻混器外管(進(jìn)液環(huán)管外環(huán))直徑Dl，摻混器出口直徑Dmix。在設(shè)計過程如下確定摻混腔收縮角β1。β1的推薦范圍為30°～60°。
確定dm，dm的大小決定了摻混腔面積收縮率，將影響摻混器出口一段距離之內(nèi)的摻混均勻程度，dm取值越小，摻混均勻程度越好，但流動阻力越大。dm推薦范圍為0.4～0.7Dl。
確定摻混腔擴(kuò)張角β2，β2的推薦范圍為15°～30°。
摻混腔收縮段長度L1=Dl-dm2tg(0.5β1)]]>，混腔擴(kuò)張段長度L2=Dl-dm2tg(0.5β2)]]>總長度Lmix＝L1+L2(10)摻混器氣體噴嘴外形如圖3所示。其氣體出口截面在安裝過程中必須與摻混腔摻混腔喉道A-A在同一平面上，氣體出口截面半徑rg-ex為安裝步驟(8)中給定的方法計算出的數(shù)值，dg-ex為相應(yīng)的直徑。噴嘴外部收縮面為錐面，長度為L1，即摻混腔收縮段長度，dg2為摻混器進(jìn)氣管道外直徑。
(11)采用雙圓錐直管喉道造型法設(shè)計的氣體摻混頭內(nèi)腔剖面如圖4所示。
采用雙圓錐直管喉道造型法設(shè)計的氣體摻混頭內(nèi)腔表面為軸對稱旋轉(zhuǎn)面，由兩個圓錐面和一段直管段構(gòu)成。摻混器氣體噴嘴內(nèi)管收縮角α1推薦值范圍為60°～90°，擴(kuò)張角α2推薦值范圍為20°～40°，在具體選值時可根據(jù)摻混頭氣嘴的總長度要求或其他工藝要求適當(dāng)調(diào)整。摻混器內(nèi)管喉道直徑dcr為步驟(7)中的計算值，喉道長度lcr為1～3mm?？紤]到出口修圓的需要，摻混器氣體噴嘴出口直徑d1比噴嘴出口外直徑dg-ex小1～2mm。
收縮段長度LA=Dg-dcr2tg(0.5α1)]]>，混腔擴(kuò)張段長度LB=dl-dcr2tg(0.5α2).]]>
(12)采用雙圓錐圓弧喉道造型法設(shè)計氣體摻混頭內(nèi)腔剖面如圖5所示；采用雙圓錐圓弧喉道造型法設(shè)計的氣體摻混頭內(nèi)腔表面為對稱旋轉(zhuǎn)面，其母線由兩段直線和一段圓弧構(gòu)成。摻混器內(nèi)管收縮角α1推薦值范圍為60°～90°，擴(kuò)張角α2推薦值范圍為20°～40°，在具體選值時可根據(jù)實際要求適當(dāng)調(diào)整。摻混器內(nèi)管喉道直徑dcr為步驟(7)中的計算值?？紤]到出口修圓的需要，摻混器氣體噴嘴出口直徑d1比噴嘴出口外直徑dg-ex小1～2mm。
設(shè)坐標(biāo)系原點為噴嘴出口截面圓心，x軸為旋轉(zhuǎn)軸(即管道中軸線)，中間圓弧段BD的半徑為rc，rc推薦值范圍為0.2～0.3Dg，圓弧段BD的定點為C，其y坐標(biāo)為yc＝-0.5dcr，圓弧對應(yīng)的圓心O的y坐標(biāo)為yo＝-(0.5dcr+rc)。
E點y坐標(biāo)為yE＝-0.5d1E點x坐標(biāo)為xE＝0D點y坐標(biāo)為yD＝y(tǒng)O+rcctg(0.5α2)D點x坐標(biāo)為xD＝(0.5d1-yB)/ctg(0.5α2)O點x坐標(biāo)為xO＝xB-rctg(0.5α2)C點x坐標(biāo)與O點相同xc＝xOB點y坐標(biāo)為yB＝y(tǒng)O+rcctg(0.5α1)B點x坐標(biāo)為xB＝xO-rctg(0.5α1)A點y坐標(biāo)為yA＝-0.5DgA點x坐標(biāo)為xA＝xB-(yB-yA)/tg(0.5α1)因此，收縮段圓錐軸向長度LA＝|xB-xA|，擴(kuò)張段圓錐軸向長度LB＝|xE-xD|。
(13)氣體摻混頭內(nèi)腔剖面還可以采用其他通用拉伐爾噴管設(shè)計方法，但必須保證喉道直徑dcr。
(14)圖6為一個采用雙圓錐直管喉道造型法設(shè)計的拉伐爾噴管摻混器。圖7顯示了噴嘴氣體流量與摻混器進(jìn)氣壓力的關(guān)系曲線。從曲線中可以看出，當(dāng)出現(xiàn)氣動堵塞之后，氣體流量隨壓力升高的增長曲線得到了極大的遏制。圖8為實驗結(jié)果圖，圖中氣體壓力變化曲線，液體壓力變化曲線，混合后流體壓力變化曲線，氣端壓力與進(jìn)液端壓力的差值變化曲線。從圖中可以看出，出現(xiàn)氣動堵塞之后，摻混腔壓力隨摻混器進(jìn)氣壓力的升高而變化的趨勢不明顯，摻混器在進(jìn)氣壓力遠(yuǎn)高于進(jìn)液壓力時也沒有出現(xiàn)斷塞現(xiàn)象。
示例為了對本發(fā)明的使用做進(jìn)一步的闡述，現(xiàn)舉例如下問題描述上游儲氣罐中氣體為空氣，壓力的額定壓力為表壓2.5bar，工作時的壓力波動范圍為表壓2-4bar，輸氣管道內(nèi)徑為35毫米。上游液泵的最大揚程為25米，約合表壓2.5bar，流量為每小時2立方米，液體在管道內(nèi)最低壓力為表壓2.0bar，輸液管道內(nèi)徑為50毫米。摻混后混輸管道的內(nèi)徑為50毫米，要求摻混后的氣液體積比約為1∶1，氣體體積占混合流體體積的百分比不能超過70％。流體摻混前后的溫度均為室溫，按25攝氏度計算。
根據(jù)問題要求，可以確定的設(shè)計參數(shù)為Pg-min＝3.0×105Pa(絕壓)Pg＝3.5×105Pa(絕壓)Pg-max＝5.0×105Pa(絕壓)Pl-min＝3.0×105Pa(絕壓)Pmix＝Pl-min＝3.0×105Pa(絕壓)Dmix＝50mmDgas_in＝35mmDliquid_in＝50mmQl＝2m3/hour＝5.56×10-4m3/s額定工況下混合流體氣液比λ＝1，最大允許值為λ＝70％/30％＝2.33T0＝T＝273+25＝298K(上游氣罐總溫T0與管道內(nèi)溫度T均視為25攝氏度，合絕對溫標(biāo)298K)在額定工況下Qg＝Ql＝5.56×10-4m3/s最大允許值為Qg_max＝2.33Ql＝1.30×10-3m3/s
25攝氏度的空氣在Pmix(2.0×105Pa)下的密度ρg約為3.87kg/m3在額定工況下空氣質(zhì)量流量m·g=ρg×Qg=2.15×10-3kg/s]]>空氣質(zhì)量流量最大允許值為m·g_max=ρg×Qg_max=5.01×10-3kg/s]]>發(fā)生壅塞現(xiàn)象時，系數(shù)K=(γR)12(2γ+1)γ+12(γ-1)]]>，將空氣的γ、R值帶入計算得K＝0.04042。
將以上條件帶入公式dcr=4m·gT0πKPg]]>，計算得喉道直徑dcr＝2.8×10-3m＝2.8mm，對應(yīng)喉道面積σ*＝6.11×10-6m2將Pg-min、Pg-max帶入公式m·max=Kp0T0σ*]]>，計算得Pg-min下噴管氣體最大質(zhì)量流量為4.3×10-3kg/s，此時混合后流體的體積含氣率為46％。Pg-max下噴管氣體最大質(zhì)量流量為7.2×10-3kg/s，此時混合后流體的體積含氣率為59％。結(jié)果表明，喉道尺寸完全滿足要求。
由于喉道直徑只有2.8mm，考慮到加工問題，摻混器氣體噴嘴形式采用采用雙圓錐直管喉道造型法。
摻混腔面積收縮率定為2∶1，即dm＝0.7Dl。
剩余的其他設(shè)計步驟按“具體實施方式
”中介紹的步驟進(jìn)行，最終設(shè)計出的摻混器尺寸如圖9、圖10所示，其中圖9為摻混頭，圖10為摻混腔，完整的摻混器組合圖如圖6所示，圖中摻混頭與摻混腔之間的連接法蘭有約4mm寬的距離，這是保留給密封墊的厚度。
權(quán)利要求
1.一種利用拉伐爾噴管原理的氣液摻混器設(shè)計方法，包括如下步驟(1)給定進(jìn)入摻混器的氣體、液體壓力波動范圍；(2)給定摻混器氣液兩相流排出口管道直徑；(3)給定進(jìn)入摻混器的液體流量；(4)給定或根據(jù)流型圖計算出氣液摻混后兩相流體的氣液體積比，并結(jié)合步驟(1)中的參數(shù)計算出相應(yīng)的氣體質(zhì)量流量；(5)根據(jù)步驟(4)中得到的氣液體積比，計算出摻混器中摻混截面處氣體通流面積與液體通流面積之比；(6)根據(jù)步驟(1)和(3)中的各參數(shù)計算出拉伐爾噴管喉道面積及半徑；(7)根據(jù)步驟(2)、(5)和(6)中的各參數(shù)，采用簡單分段曲線生成摻混器的內(nèi)部型面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的拉伐爾摻混器設(shè)計方法，其特征在于，拉伐爾噴管流量及喉道參數(shù)計算，還包括對對步驟(6)中的摻混器內(nèi)部型面的造型。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣液摻混器設(shè)計方法，其特征在于，在步驟(4)中所述的根據(jù)流型圖計算出氣液摻混后兩相流體的氣液體積比方法是在垂直下降管流型圖、垂直上升管流型圖、水平管流型圖氣液兩相流流型圖上確定摻混后氣液兩相流的流動狀態(tài)點，根據(jù)步驟(1)、(2)和(3)中的各參數(shù)計算出對應(yīng)的氣體流量。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種利用拉伐爾噴管原理的氣液摻混器設(shè)計方法，包括如下步驟給定進(jìn)入摻混器的氣體、液體壓力波動范圍；給定進(jìn)入摻混器的進(jìn)氣口、進(jìn)液口及氣液兩相流排出口管道直徑；給定進(jìn)入摻混器的液體流量，給定或根據(jù)流型圖計算出氣液摻混后兩相流體的氣液體積比，并計算出相應(yīng)的氣體質(zhì)量流量；計算出拉伐爾噴管喉道面積及半徑；根據(jù)給定的管道直徑及拉伐爾噴管喉道直徑，采用簡單分段曲線生成摻混器的內(nèi)部型面。本發(fā)明氣體質(zhì)量流量可以由人為給定或根據(jù)流型圖計算獲得。本發(fā)明可以避免在液氣摻混過程中發(fā)生大規(guī)模氣態(tài)斷塞，并且可以根據(jù)要求控制摻混后流體的流態(tài)，對改進(jìn)氣液混輸狀況有非常積極的作用。
文檔編號B01F15/04GK1958138SQ200510086740
公開日2007年5月9日 申請日期2005年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月31日
發(fā)明者肖翔, 趙曉路, 李清平, 安維杰 申請人:中國科學(xué)院工程熱物理研究所, 中海石油研究中心, 中國海洋石油總公司